JP7103025B2

JP7103025B2 - 発電機及び発電方法

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Publication number: JP7103025B2
Application number: JP2018142371A
Authority: JP
Inventors: 孝夫友野
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-07-30
Also published as: JP2020022222A

Description

本発明は、小型の発電機に関する技術である。特に、本発明は、POWER MEMS技術を適用して製造できたり、装着可能なほど小型で且つ簡易な構成の発電機の提供に好適な技術である。

人体に装着可能な小型の発電機としては、例えば特許文献１に記載の発電機がある。特許文献１に記載の発電機は、外部振動による機械的振動によって発生する励振を利用して発電を行う。

特開２０１１－９７６６１号公報

しかし、振動式発電機の場合、発電機を貼り付けた対象物の振動発生状況によって発電が不安定になるおそれがある。例えば、振動式の発電機を人体に貼り付けた場合、人が動かなければ発電しないおそれがある。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、簡易な機構でより安定して電力を発生可能な小型の発電機を提供することを目的とする。

課題を解決するために、本発明の一態様は、熱を発している熱源の表面である熱源表面に取り付けられて使用される発電機であって、上記熱源表面からの熱が伝達される底面部と、上記底面部に一方の開口を向け且つ上記熱源表面から離れる方向に延在し先端側が外気に開放された筒状の中空部を有する煙突部と、上記中空部の上記底面側に外気を誘導する空気誘導路と、上記空気誘導路又は上記煙突部に配置されて上記空気誘導路又は上記中空部を流れる空気で回転駆動される回転形静電モータと、を備えることを要旨とする。
この発明の一態様では、熱源表面の温度と外気温度との温度差で生じる煙突効果で流通する空気の流速で回転形静電モータが回転駆動されることで、温度差を有する限り連続して発電することが可能となる。

本発明の一態様によれば、熱源表面での振動が不安定であっても、小型且つ簡易な機構でより安定して電力を発生可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る発電機を説明する模式図であり、（ａ）は正面断面を、（ｂ）は側面図を、（ｃ）は上面図をそれぞれ表す。本発明に基づく実施形態に係る回転形静電モータの回転を説明する軸方向からみた図である。本発明に基づく実施形態に係る回転形静電モータを説明する軸直方向からみた図である。本発明に基づく実施形態に係る回転形静電モータの回路例を示す図である。回転形静電モータの出力を平滑化する回路例を示す図である。発電機がバッテリを有する場合の回路例を示す図である。煙突部に切欠きを設けた変形例を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
ここで、図に示す構成は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに限定されるものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（構成）
本実施形態の発電機は、平面視での面積が、例えば矩形形状に換算して１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさ以内で、高さが例えば１００ｍｍ以下からなる小型の発電機である。
発電機１は、図１に示すように、煙突部１１，１２と、空気誘導路１４と、回転形静電モータ１３とを備える。
煙突部１１，１２は、熱源表面から離れる方向に延在し先端側が開口した筒状の中空部１５を有する。
空気誘導路１４は、熱源表面側で中空部に連通する貫通穴からなる。
回転形静電モータ１３は、空気誘導路又は煙突部に配置されて空気誘導路及び煙突部を流れる空気で回転駆動される。

本実施形態では、熱を発している熱源の表面である熱源表面が、体内の熱を熱源とする人体の皮膚表面(皮膚面)である場合を例にして説明する。本実施形態の発電機１を、貼り付けなどで取り付ける対象としての熱源表面は、人体の皮膚面である必要はない。例えば、取り付ける熱源表面は、犬などの動物の皮膚面であっても良いし、熱風や温水などの熱源が流れる配管表面であっても良い。また、取り付ける熱源表面は、モバイル機器のバッテリなどの電子部品の表面など、熱を発生する部品の表面や,その部品を覆う筐体の表面であってもよい。

また、熱源表面への発電機の取付け方法は特に限定されないが、その取付け方法は、例えば粘着材による貼り付け、吸着による貼り付けなどで行えば良い。
ここで、貼り付け面が下側を向いている場合には、煙突部が貼り付け側から下方に向けて突出した状態となるが、以下の説明では、図１（ａ）のように、対象への貼り付け側を下側（下面側）となっている状態を想定して説明する。

更に具体的に、図面を参照して本実施形態の発電機１について説明する。
本実施形態の発電機１は、図１に示すように、下面が皮膚面に固定される底面部１０を有する。底面部１０の下面は皮膚面Ｓに密着、若しくは底面部１０の下面と皮膚面Ｓとの間に外気が流入しない状態となっていることが好ましい。
煙突部１１，１２は、底面部１０から上方に立設している。煙突部に形成されている中空部１５は、軸を上下に向けた貫通穴であり、下端開口部を底面部１０に向け且つ底面部１０から離れる方向（上方）に軸を向けて延在し、上端開口部１１ａが外気に開放されている。煙突部は、肉厚に形成された底面部１０側の基部１２と、基部１２から上方に立ち上がっている煙突部本体１１とを備える。

空気誘導路１４は、底面部１０に沿って設けられ、基部１２を横方向に貫通する貫通穴から構成されている。その空気誘導路１４は、一端が中空部１５の下部に連通し、他端１４ａが外気に開放されている。空気誘導路１４は、回転形静電モータ１３が取付け可能であれば、短くても良い。空気誘導路１４の他端１４ａは、中空部１５の上端開口部１１ａよりも皮膚面Ｓ側に位置する。空気誘導路１４の他端１４ａは、できるだけ皮膚面Ｓに近く配置されることが好ましい。
本実施形態の空気誘導路１４は、その下面が底面部１０の上面で構成されて、底面部１０に沿って延在する。

本実施形態では、空気誘導路１４を２本形成されている。空気誘導路１４は１本でも良いし３本以上でも良い。
本実施形態では、空気誘導路１４の開口断面が、中空部１５の開口断面よりも狭く設定されている。
例えば中空部１５の開口断面は、図１（ａ）のように、長方形形状であり、その寸法が例えば０．５ｍｍ×２．０ｍｍの大きさとなっている。また空気誘導路１４の開口断面は、図１（ｂ）に示すように、長方形形状であり、その寸法が例えば０．２ｍｍ×１．０ｍｍとなっている。ただし、中空部１５の開口断面の形状に特に限定はない。

また、煙突部（中空部１５）の高さは、例えば６ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲である。煙突部（中空部１５）の高さは、より好ましくは１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。１０ｍｍ以上であれば、より確実にメディカルセンサに電力を安定して供給することが可能となる。また余り高すぎると、設置時に発電機１の安定性に悪影響が出る可能性があるため、１００ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは５０ｍｍ以下である。安定性の観点からは、煙突部（中空部１５）の高さは、底面部１０の面積を正方形形状に換算した際における正方形の一辺の長さ以下とすることが好ましい。

なお、図１では、中空部１５が垂直に延在する場合が図示されているが、中空部１５が斜めに延在するように形成されていても良い。中空部１５は、皮膚面Ｓから離れる方向に延びていればよい。すなわち、筒状の中空部は、直線状に延びている必要はなく、例えば先端側が側方に延びて側方で開口するような構成でも構わない。
底面部１０は、熱伝導性材料から構成されることが好ましい。底面部１０を熱伝導性材料で構成することで、より確実に、底面部１０の上面側の温度を、より短時間で体温に近づけることができる。熱伝導性材料は、例えば金属から構成される。金属としては、例えば、銅（３７０）、アルミニウム合金（２００）、鋼材（５３）、鉛（３５）、ステンレス鋼（１５）が例示できる。なお、材料の後に記載したカッコ内の数字は、その材料の熱伝導率を示す。すなわち、熱伝導性材料の熱伝導率は、１５以上、好ましくは２００以上が好ましい。もっとも、底面部１０が熱伝導性材料以外の材料から構成されていても良い。

また煙突部の中空部１５を形成する内壁面が断熱材料から構成されることが好ましい。本実施形態では煙突部全体を断熱材料で構成する。断熱材料としては、アクリルガラス（０．２），ＰＶＣ（０．１７）、ポリウレタン（０．３）、シリコン（０．３５）、プチルゴム（０．２４）が例示できる。なお、材料の後に記載したカッコ内の数字は、その材料の熱伝導率を示す。すなわち、断熱材料の熱伝導率は、０．３５以下、好ましくは０．２以下が好ましい。もっとも、煙突部が断熱材料以外の材料から構成されていても良い。

また、各空気誘導路１４の途中に回転形静電モータ１３が設けられている。図２中、符号１２ａは、羽部１３Ｂを回転可能状態で収容する空洞部である。
回転形静電モータ１３は、回転駆動することで発電可能な公知の静電モータ１３の構成を採用すればよい。本実施形態の回転形静電モータ１３は、図２～４に示すように、回転軸１３Ａと、回転軸１３Ａに放射状に取り付けられた複数の羽部１３Ｂ（ローター）と、ステータ１３Ｃとを備える。
回転軸１３Ａは、図２、図３に示すように、回転軸の両端部が、基部１２に軸回転可能に支持される。回転軸１３Ａは、図２に示すように、空気誘導路１４よりも上方位置で当該空気誘導路１４の延在方向に交差する方向に軸を向けて配置されている。本実施形態では、回転軸１３Ａは空気誘導路１４に直交する方向に配置される場合が例示されている。

ここで、同一の風量で複数の羽部１３Ｂ（ローター）がより回転しやすくするためには、回転軸１３Ａの端部と、その端部を支持する基部１２との接触面積が少ない方が好ましい。例えば、図３（ｂ）のように、回転軸１３Ａの両端部（基部１２に支持される部分）の少なくとも一方の端部を円錐状や円錐台形状などとして、回転軸１３Ａにおける基部１２に支持される面をテーパ面とすることで、回転軸１３Ａの端部と基部１２との接触面積を小さくして摩擦係数を減少させる。
その回転軸１３Ａに複数の羽部１３Ｂ（図２では４枚）が固定されている。回転軸１３Ａの設置高さは、図２に示すように、下部に位置する羽部１３Ｂの一部が空気誘導路１４内に位置するように設定する。

図１中、符号１６は、回転形静電モータ１３のリード線（出力端子）で、このリード線１６を、不図示のＥＣＧやＥＭＧなど、身体に装着したメディカルセンサ等の受動装置に電気的に接続して、受動装置に対し電力の供給を行う。
なお、回転形静電モータ１３の出力を平滑化する場合には、例えば図５に示すような回路を組み込む。
また、発電機１がバッテリを有していても良い。この場合、図６に示すような回路構成でバッテリ１７を回転形静電モータ１３に接続して、バッテリ１７から電力を出力可能な構成する。

また、皮膚面Ｓに発電機１を取り付けた際に、冬場など、人がきつめの衣類を着ていること等で、テンションの掛かった衣類で煙突部の上端開口部１１ａを閉塞してしまう可能性がある。これに対する対策として、煙突部本体１１の上部に中空部１５から横方向に抜ける開口を形成しておくと良い。図７では、煙突部本体１１の上端部に切欠き１１ｂを形成して、煙突部側方に、中空部１５内の空気が外気に開放される開口を形成した例を図示している。煙突上部側面に開口用の穴を設けても良い。

（作用その他）
本実施形態では、熱を発している熱源の表面である皮膚面Ｓ（熱源表面）の温度と外気温との温度差による煙突効果で、空気誘導路１４及び中空部１５からなる空気移動通路内を空気が流れる。そして、空気誘導路１４に設けられた回転形静電モータ１３を、上記空気移動通路を流れる空気によって回転駆動して発電する。ここで、体温が外気温よりも高ければ、空気誘導路１４から吸い込まれた空気が、煙突効果によって中空部１５内を下から上に向けて移動するように流れる。一方、体温が外気温よりも低ければ、空気は中空部１５内を上から下に向けて移動して空気誘導路１４を介して外部に流れる。
体温と外気温に温度差があれば、取り付けた人が動かなくても煙突効果で連続して空気の流れが形成されて、発電機１は、連続して発電することができる。

ここで、外気の気圧、温度、空気密度を、Ｔｏ、Ｐｏ、ρｏとし、煙突部下部の気圧、温度、空気密度を、Ｔｉ、Ｐｉ、ρｉとする。また煙突部の高さをｈ、重力加速度をｇとする。
すると、下記式のように表すことができる。
Ｐｏ＝ｇ・ρｏ・ｈ
Ｐｉ＝ｇ・ρｉ・ｈ
ΔＰ＝Ｐｏ－Ｐｉ＝ｇ（ρｏ－ρｉ）ｈ
＝ｇ・ρｏ・ｈ・（｜Ｔｉ－Ｔｏ｜／Ｔｉ）
一方、ΔＰ・Ｖｏ＝（１／２）・ｍｏ・ｖ_０ ^２と記載でき、
ρｏ＝ｍｏ／Ｖｏと置き換えれば、
ｖ_ｏ＝√（２ｇｈ・（｜Ｔｉ－Ｔｏ｜／Ｔｉ））・・・（１）
と表すことができる。
（１）式から、体温と外気温に温度差がある場合には、連続して空気が流れることが分かる。

本実施形態では、空気誘導路１４に回転形静電モータ１３を設けているが、煙突部に回転形静電モータ１３を設けても良い。例えば、煙突部の先端部側を側方に延在させて、その側方に延びる煙突部分に回転形静電モータ１３を設ける。
ただし、空気誘導路１４に回転形静電モータ１３を設けた方が好ましい。すなわち、形成した空気誘導路１４の本数分だけ回転形静電モータ１３を設けることができる。また、断面開口が小さい空気誘導路１４の方が、相対的に流速が大きいことから、回転形静電モータ１３の出力が大きくなる。更に、より皮膚面Ｓ側に回転形静電モータ１３を配置した方が、発電機１の重心が低くなって、発電機１をより安定して皮膚面Ｓに取り付けられるようになる。

また、底面部１０を熱伝導性材料で構成し、煙突部の中空部１５を形成する内壁面を断熱材料で構成することが好ましい。この場合、底面部１０を熱伝導性材料で構成することで、中空部１５の下部温度を迅速に皮膚面Ｓの温度により近づけられ、また、中空部１５を形成する内壁面を断熱材料で構成することで、中空部１５の高さ方向途中部が外気温になりにくくなる。この結果、より確実に煙突効果を奏するようになる。
また、駆動されるモータとして、静電モータ１３を使用することで、逆起電力が生じることがないため、流速が小さくてもモータが回転しやすくなる。すなわち、煙突効果による流速が小さい場合でもモータが回転駆動しやすくなる。
また、静電モータ１３の回転軸１３Ａが上下に向くように静電モータ１３を配置しても良いが、モータの羽部１３Ｂ（ローター）を縦回転させるように静電モータ１３を配置した方が、相対的に、流速が小さくてもモータが回転しやすくなるため好ましい。

以上のように、本実施形態の発電機１によれば、皮膚面Ｓなどの熱源表面での振動が不安定であっても、小型且つ簡易な機構で、より安定して電力を発生可能となる。
ここで、発明者が確認したところ、静電モータ１３を配置した空気誘導路１４での流速が０．０１ｍ／ｓ以上１．００ｍ／ｓ以下の範囲で、好適に静電モータ１３で発電ができた。もっとも、空気誘導路１４での流速が０．０１ｍ／ｓ未満でも静電モータ１３での発電が可能と思われる。また、空気誘導路１４での流速が１．ｍ／ｓを越えても静電モータ１３での発電は可能である。

また、使用環境にもよるが、人体の皮膚に発電機１を貼り付けて空気誘導路１４での流速を確認したところ、少なくとも０．０２ｍ／ｓ以上０．４０ｍ／ｓ以下の流速が確保され、発電機１が連続して発電することを確認した。
また、皮膚温より温かい面に発電機１を貼り付けたところ、空気誘導路１４での流速が０．６ｍ／ｓと速くなり、より安定して発電していることも確認した。

１発電機
１０底面部
１１煙突部本体
１１ａ上端開口部
１１ｂ切欠き
１２基部
１３回転形静電モータ
１３Ａ回転軸
１３Ｂ羽部
１３Ｃステータ
１４空気誘導路
１４ａ他端
１５中空部
Ｓ皮膚面

Claims

熱を発している熱源の表面である熱源表面に取り付けられて使用される発電機であって、
上記熱源表面に取り付けられて上記熱源表面からの熱が伝達される底面部と、
上記底面部に一方の開口を向け且つ上記熱源表面から離れる方向に延在し先端側が外気に開放された筒状の中空部を有する煙突部と、
上記中空部の上記底面部側に外気を誘導する空気誘導路と、
上記空気誘導路又は上記煙突部に配置されて上記空気誘導路又は上記中空部を流れる空気で回転駆動される回転形静電モータと、
を備えることを特徴とする発電機。
上記熱源表面は、人を含む動物の皮膚面であることを特徴とする請求項１に記載した発電機。
上記底面部は熱伝導性材料から構成され、
上記煙突部の上記中空部を形成する内壁面は断熱材料から構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した発電機。
上記空気誘導路の開口断面は、上記中空部の開口断面よりも小さく、
上記回転形静電モータは、上記空気誘導路に配置されていることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載した発電機。
上記回転形静電モータは、回転軸と上記回転軸から放射状に延びた複数の羽部とを有し、上記各羽部がモータの回転に伴い上記空気誘導路内を通過可能に配置され、且つ上記回転軸が、上記空気誘導路よりも上記熱源表面から離れた位置に配置されることを特徴とする請求項４に記載した発電機。
熱を発している熱源の表面である熱源表面の温度と外気温との温度差による煙突効果で空気移動通路内を空気が流れ、上記空気移動通路に設けられた回転形静電モータを、上記空気移動通路を流れる空気によって回転駆動して発電し、
上記熱源表面は、人を含む動物の皮膚面である、
ことを特徴とする発電方法。